Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
 Скачать 5.49 Mb.
|
|
коммутаторов и конечных узлов – абонентов, соединенных между собой линиями (звеньями) связи. Заметим, что в данном контексте термин «линия связи» используется для обозначения соединения двух соседних узлов сети. В сетях с коммутацией каналов решаются все те частные задачи коммутации, которые были сформулированы ранее. Так, в качестве информационных потоков в сетях с коммутацией каналов выступают данные, которыми обмениваются пары абонентов. Время существования информационного потока ограничивается рамками сеанса связи абонентов. Глобальным признаком потока является пара адресов (например, телефонных номеров) абонентов, связывающихся между собой через последовательность коммутаторов. Для всех возможных потоков заранее определяются маршруты. Маршруты в сетях с коммутацией каналов задаются либо «вручную» администратором сети, либо находятся автоматически с привлечением специальных программных и аппаратных средств. Маршруты фиксируются в таблицах коммутации, в которых признакам потока ставятся в соответствие идентификаторы выходных интерфейсов коммутаторов. На основании этих таблиц происходит продвижение и мультиплексирование данных. Однако, как уже было сказано, в сетях с коммутацией каналов решение всех этих задач имеет свои особенности. Элементарный канал Одной из особенностей сетей с коммутацией каналов является использование понятия «элементарный канал». Элементарный канал – это базовая техническая характеристика сети с коммутацией каналов, представляющая собой некоторое фиксированное в пределах данного типа сетей значение пропускной способности. Любая линия связи в сети с коммутацией каналов имеет пропускную способность, кратную элементарному каналу, принятому для данного типа сети. В предыдущих разделах мы использовали термин «канал» как аналог термина «линия связи». Говоря же о сетях с коммутацией каналов, мы придаем термину «канал» значение единицы пропускной способности. Численное значение элементарного канала, или, другими словами, минимальная единица пропускной способности линии связи, выбирается с учетом разных факторов. Очевидно, однако, что элементарный канал не стоит выбирать меньше минимально необходимой пропускной способности для передачи ожидаемой нагрузки. Например, в современных телефонных сетях наиболее распространенным значением элементарного канала является скорость 64 Кбит/с – это минимально достаточная скорость для качественной цифровой передачи голоса. Линии связи в сетях с коммутацией каналов (как, впрочем, и в остальных типах компьютерных сетей) имеют разную пропускную способность, одни – большую, другие – меньшую. Выбирая линии связи с разными скоростными качествами, специалисты, проектирующие сеть, стараются учесть разную интенсивность информационных потоков, которые могут возникнуть в разных фрагментах сети: чем ближе к центру сети, тем выше пропускная способность линии связи, так как магистральные линии агрегируют трафик большого количества периферийных линий связи. Особенностью сетей с коммутацией каналов является то, что пропускная способность каждой линии связи должна быть равна целому числу элементарных каналов. Так, линии связи, подключающие абонентов к телефонной сети, могут содержать 2, 24 или 30 элементарных каналов, а линии связи, соединяющие коммутаторы, – 480 или 1920 каналов. Как следует из определения, элементарный канал представляет собой долю пропускной способности линии связи. В разных технологиях разделение пропускной способности выполняется по-разному. В одних случаях, как, например, в технологии OTN, используется разделение по времени и элементарным каналом является пропускная способность, соответствующая одному тайм-слоту, в течение которого линия связи предоставляется некоторому потоку в исключительное пользование. В других технологиях (например, DWDM) элементарные каналы определены как диапазоны частот, которые могут назначаться потокам. По-разному выполняется и идентификация элементарных каналов. На данном этапе условимся использовать в качестве идентификатора номер канала. ОЦИФРОВЫВАНИЕ ГОЛОСА Задача оцифровывания голоса является частным случаем более общей проблемы - передачи аналоговой информации в дискретной форме. Она была решена в 60-е годы, когда голос начал передаваться по телефонным сетям в виде последовательности единиц и нулей. Такое преобразование основано на дискретизации непрерывных процессов как по амплитуде, так и по времени (рис. 3.1).  Амплитуда исходной непрерывной функции измеряется с заданным периодом – за счет этого происходит дискретизация по времени. Затем каждый замер представляется в виде двоичного числа определенной разрядности, что означает дискретизацию по значениям – непрерывное множество возможных значений амплитуды заменяется дискретным множеством ее значений. Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц (дискретизация по времени с интервалом 125 мкс). Для представления амплитуды одного замера чаще всего используется 8 бит кода, что дает 256 градаций звукового сигнала (дискретизация по значениям). В этом случае для передачи одного голосового канала необходима пропускная способность 64 Кбит/с: 8000 * 8 = 64 000 бит/с или 64 Кбит/с. Такой голосовой канал называют элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Обратимся к фрагменту сети, изображенному на рис. 3.2. Предположим, что эта сеть характеризуется элементарным каналом Т бит/с, В сети существуют линии связи разной пропускной способности, состоящие из 2,3, 4 и 5 элементарных каналов. Для определенности предположим, что элементарные каналы являются дуплексными. Элементарные каналы идентифицируются номерами. Например, коммутатор S2 имеет в своем распоряжении на интерфейсе (порту) Р1 элементарные каналы 1, 2, 3 и 4, а на интерфейсе РЗ – элементарные каналы 1, 2, 3, 4 и 5.  На рисунке показаны два абонента, А и В, генерирующие во время сеанса связи (телефонного разговора) информационный поток, для которого в сети был предусмотрен маршрут, проходящий через четыре коммутатора – 51,52, 53 и 54. Предположим также, что интенсивность информационного потока между абонентами не превосходит 2Тбит/с. Тогда для обмена данными этим двум абонентам достаточно иметь в своем распоряжении по паре элементарных каналов, «выделенных» из каждой линии связи, лежащей на маршруте следования данных от пункта Л к пункту В. На рисунке элементарные каналы, необходимые абонентам Ли В, обозначены толстыми линиями. Подчеркнем следующие свойства составного канала: составной канал на всем своем протяжении состоит из одинакового количества элементарных каналов; составной канал имеет постоянную и фиксированную пропускную способность на всем своем протяжении; составной канал создается временно на период сеанса связи двух абонентов или, другими словами, только на время существования потока; на время сеанса связи все элементарные каналы, входящие в составной канал, поступают в исключительное пользование абонентов, для которых был создан этот составной канал; в течение всего сеанса связи абоненты могут посылать в сеть данные со скоростью, не превышающей пропускную способность составного канала; данные, поступившие в составной канал, гарантированно доставляются вызываемому абоненту без задержек, потерь и с той же скоростью (скоростью источника) вне зависимости от того, существуют ли в это время в сети другие соединения или нет; после окончания сеанса связи элементарные каналы, входившие в соответствующий составной канал, объявляются свободными и возвращаются в пул распределяемых ресурсов для использования другими абонентами. В сети может одновременно происходить несколько сеансов связи (обычная ситуация для телефонной сети, в которой одновременно передаются разговоры сотен и тысяч абонентов). Разделение сети между сеансами связи происходит на уровне элементарных каналов. Например (см. рис. 3.2), мы можем предположить, что после того, как в линии связи 52-53 было выделено два канала для связи абонентов А и В, оставшиеся три элементарных канала были распределены между тремя другими сеансами связи, проходившими в это же время и через эту же линию связи. Такое мультиплексирование позволяет одновременно передавать через каждый физический канал трафик нескольких логических соединений. Мультиплексирование означает, что абоненты вынуждены конкурировать за ресурсы, в данном случае за элементарные каналы. Возможны ситуации, когда некоторая промежуточная линия связи уже исчерпала свободные элементарные каналы – тогда новый сеанс связи, маршрут которого пролегает через данную линию связи, не может состояться. Чтобы распознать такие ситуации, обмен данными в сети с коммутацией каналов предваряется процедурой установления соединения. В соответствии с этой процедурой абонент, являющийся инициатором сеанса связи (например, абонент А в нашей сети), посылает в коммутационную сеть запрос, представляющий собой сообщение, содержащее адрес вызываемого абонента, например абонента ВIX. Цель запроса – проверить, можно ли образовать составной канал между вызывающим и вызываемым абонентами. Для этого требуется соблюдение двух условий: наличие требуемого числа свободных элементарных каналов в каждой линии связи, лежащей на пути от Л к В, и незанятость вызываемого абонента в другом соединении. Запрос перемещается по маршруту, заранее определенному для информационного потока данной пары абонентов. Этот маршрут зафиксирован в глобальных таблицах коммутации, размещенных на всех промежуточных коммутаторах на пути от абонента А к В. Например, коммутатор 54 в нашем примере может иметь следующую глобальную таблицу маршрутизации:
Если в результате прохождения запроса выяснилось, что ничто не препятствует установлению соединения, то происходит фиксация составного канала. Для этого в каждом из коммутаторов вдоль пути от Л до В создаются записи в локальных таблицах коммутации, в которых указывается соответствие между локальными признаками потока – номерами элементарных каналов, зарезервированных для этого сеанса связи в данном коммутаторе. В нашем примере после прохождения запроса на установление связи от абонента А к абоненту В в каждом из коммутаторов 51, 52, 53 и 54 были созданы соответствующие записи в их локальных таблицах коммутации. В коммутаторе 54 локальная таблица выглядит так:
Представленные в примере записи говорят о том, что элементарный канал 2, поступающий на интерфейс Р1, скоммутирован с элементарным каналом 1 интерфейса Р2, а элементарный канал 3 интерфейса Р1 – с элементарным каналом 2 интерфейса Р2. В этом примере номера элементарных каналов имеют уникальные значения в пределах каждого интерфейса, поэтому в локальной таблице коммутации элементарные каналы идентифицируются парой номер интерфейса/номер канала. Возможна и другая организация коммутатора, когда номера элементарных каналов имеют уникальные значения в пределах коммутатора, но при добавлении или удалении интерфейса их приходится перенумеровывать, что не всегда удобно. После того как составной канал считается установленным и в каждом коммутаторе сформированы соответствующие записи в локальных таблицах коммутации, абоненты А и В могут начать свой сеанс связи. Таким образом, продвижение данных в сетях с коммутацией каналов происходит в два этапа: В сеть поступает служебное сообщение – запрос, который несет адрес вызываемого абонента и инициирует создание составного канала. По подготовленному составному каналу передается основной поток данных, для передачи которого уже не требуется никакой вспомогательной информации, в том числе адреса вызываемого абонента. Коммутация данных в коммутаторах выполняется на основе локальных признаков потока – номеров выделенных ему элементарных каналов. Запросы на установление соединения не всегда завершаются успешно. Если на пути между вызывающим и вызываемым абонентами отсутствуют свободные элементарные каналы или вызываемый узел занят, то происходит отказ в установлении соединения. Например, если во время сеанса связи абонентов Ли В абонент С пошлет запрос в сеть на установление соединения с абонентом D, то он получит отказ, потому что из двух необходимых ему элементарных каналов линии связи 53-54 свободным является только один (рис. 3.3). При отказе в установлении соединения сеть информирует вызывающего абонента специальным сообщением. Чем больше нагрузка на сеть, то есть чем больше соединений она в данный момент поддерживает, тем больше вероятность отказа в удовлетворении запроса на установление нового соединения.  Мы описали процедуру установления соединения в автоматическом динамическом режиме, основанном на способности абонентов отправлять в сеть служебные сообщения - запросы на установление соединения, и способности узлов сети обрабатывать такие сообщения. Подобный режим используется телефонными сетями: телефонный аппарат генерирует запрос, посылая в сеть импульсы (или тоновые сигналы), кодирующие номер вызываемого абонента, а сеть либо устанавливает соединение, либо сообщает об отказе сигналами «занято». В первых телефонных сетях каждая линия связи абонента с телефонной станцией представляла собой элементарный канал. Коммутаторы были электромеханическими, соединение выполнялось оператором с помощью кабелей, вставляемых в разъемы коммутатора, к которым подключались абонентские линии связи. Однако это не единственно возможный режим работы сети с коммутацией каналов. Существует и статический ручной режим установления соединения, характерный для случаев, когда необходимо установить составной канал не на время одного сеанса связи абонентов, а на более долгий срок. Создание такого долговременного канала не могут инициировать абоненты – он создается администратором сети. Очевидно, что статический ручной режим малопригоден для традиционной телефонной сети с ее короткими сеансами связи, однако он вполне оправдан для создания высокоскоростных телекоммуникационных каналов между городами и странами на более-менее постоянной основе. Технология коммутации каналов ориентирована на минимизацию случайных событий в сети, то есть это технология, стремящаяся к детерминизму. Во избежание всевозможных неопределенностей значительная часть работы по организации информационного обмена выполняется еще до того, как начнется собственно передача данных. Сначала по заданному адресу проверяется доступность необходимых элементарных каналов на всем пути от отправителя до адресата. Затем эти каналы закрепляются на все время сеанса для исключительного использования двумя абонентами и коммутируются в один непрерывный «трубопровод» (составной канал), имеющий «шлюзовые задвижки» на стороне каждого из абонентов. После этой исчерпывающей подготовительной работы остается сделать самое малое: «открыть шлюзы» и позволить информационному потоку свободно и без помех «перетекать» между заданными точками сети (рис. 3.4),  |